Чтобы оценить эксплуатационные свойства изделий и определить физические и механические характеристики материалов, используются различные инструкции, ГОСТы и другие регламентирующие и рекомендательные документы. Рекомендуются и методы испытаний на разрушение целой серии изделий или однотипных образцов материала. Это не слишком экономичный метод, но эффективный.

Определение характеристик

Основные характеристики механических свойств материалов следующие.

1. Временное сопротивление или предел прочности - та сила напряжения, которая зафиксирована при наибольшей нагрузке перед разрушением образца. Механические характеристики прочности и пластичности материалов описывают свойства твёрдых тел сопротивляться необратимым изменениям формы и разрушению под влиянием внешних нагрузок.

2. Условным называется напряжение, когда остаточная деформация достигнет 0,2% длины образца. Это наименьшее напряжение в то время, как образец продолжает деформироваться без заметного увеличения нагрузок.

3. Пределом длительной прочности называют наибольшее напряжение, при данной температуре вызывающее в течение определённого времени разрушение образца. Определение механических характеристик материалов ориентируется на предельные единицы длительной прочности - разрушение происходит при 7 000 градусах по Цельсию за 100 часов.

4. Условным пределом ползучести называется напряжение, вызывающее при данной температуре за определённое время в образце заданное удлинение, а также скорость ползучести. Пределом считается деформация металла за 100 часов при 7 000 градусах по Цельсию на 0,2%. Ползучестью называется определённая скорость деформации металлов при постоянном нагружении и высокой температуре в течение длительного времени. Жаропрочность - это сопротивление материала разрушению и ползучести.

5. Пределом выносливости называют наибольшее значение напряжения цикла, когда усталостного разрушения не происходит. Число циклов нагружения может быть заданное или произвольное, в зависимости от того, как запланированы механические испытания материалов. Механические характеристики включают в себя усталость и выносливость материала. Под действием нагрузок в цикле накапливаются повреждения, образуются трещины, приводящие к разрушению. Это усталость. А свойство сопротивления усталости - выносливость.

Растяжение и сжатие

Материалы, которые применяются в инженерной практике, разделяются на две группы. Первая - пластичные, для разрушения которых должны появиться значительные остаточные деформации, вторая - хрупкие, разрушающиеся при очень малых деформациях. Естественно, такое деление весьма условно, потому что каждый материал в зависимости от создаваемых условий может повести себя и как хрупкий, и как пластичный. Это зависит от характера состояния напряжения, от температуры, от скорости деформирования и других факторов.

Механические характеристики материалов при растяжении и сжатии красноречивы и у пластичных, и у хрупких. Например, малоуглеродистую сталь испытывают растяжением, а чугун - сжатием. Чугун - хрупкий, сталь - пластична. Хрупкие материалы имеют большую сопротивляемость при сжатии, при деформации растяжения - хуже. Пластичные имеют примерно одинаковые механические характеристики материалов при сжатии и растяжении. Однако определяется их порог всё-таки растяжением. Именно этими способами можно более точно узнать механические характеристики материалов. Диаграмма растяжения и сжатия представлена в иллюстрациях к данной статье.

Хрупкость и пластичность

Что же такое пластичность и хрупкость? Первое - это способность не разрушаться, получая остаточные деформации в больших количествах. Такое свойство является решающим для важнейших технологических операций. Изгиб, волочение, вытяжка, штамповка и многие другие операции зависят от характеристик пластичности. К пластичным материалам относятся отожжённая медь, латунь, алюминий, малоуглеродистая сталь, золото и тому подобные. Гораздо менее пластичны бронза и дюраль. Совсем слабо пластичны почти все легированные стали.

Характеристики прочности пластичных материалов сопоставляют с пределом текучести, о котором будет сказано ниже. На свойства хрупкости и пластичности большое влияние оказывают температура и скорость нагружения. Быстрое натяжение придаёт материалу хрупкость, а медленное - пластичность. Например, стекло - материал хрупкий, но оно выдерживает длительное воздействие нагрузки, если температура нормальная, то есть показывает свойства пластичности. А пластична, однако при ударной резкой нагрузке проявляется как материал хрупкий.

Метод колебаний

Физико-механические характеристики материалов определяются возбуждением продольных, изгибных, крутильных и других, ещё более сложных а зависимости от размеров образцов, форм, типов приёмника и возбудителя, способов крепления и схем приложения динамических нагрузок. Крупногабаритные изделия тоже подлежат испытаниям с помощью данного метода, если существенно изменить методику применения в способах приложения нагрузки, возбуждения колебаний и регистрации их. Этим же методом определяются механические характеристики материалов, когда нужно оценить жёсткость крупногабаритных конструкций. Однако при локальном определении в изделии характеристик материала этот способ не используется. Практическое применение методики возможно только тогда, когда известны геометрические размеры и плотность, когда возможно закрепление изделия на опорах, а на самом изделии - преобразователей, нужны определённые температурные условия и т.д.

Например, при смене температурных режимов происходит то или иное изменение, механические характеристики материалов при нагревании становятся другими. Практически все тела в этих условиях расширяются, что влияет на их структуру. Любое тело имеет те или иные механические характеристики материалов, из которых оно состоит. Если по всем направлениям эти характеристики не изменяются и остаются одинаковыми, такое тело называют изотропным. Если же физико-механические характеристики материалов изменяются - анизотропным. Последнее является характерной чертой практически всех материалов, просто в разной степени. Но есть, например, стали, где анизотропность весьма незначительна. Наиболее ярко она выражена в таких естественных материалах, как дерево. В производственных условиях определяют механические характеристики материалов посредством контроля качества, где используются различные ГОСТЫ. Оценка неоднородности получается из статистической обработки, когда суммируются результаты испытаний. Образцы должны быть многочисленными и вырезанными из конкретной конструкции. Такой способ получения технологических характеристик считается довольно трудоёмким.

Акустический метод

Акустических методов для того, чтобы определить механические свойства материалов и их характеристики, достаточно много, и все они отличаются способами ввода, приёма и регистрации колебаний в синусоидальном и импульсном режимах. Используются акустические методы при исследовании, например, строительных материалов, их толщины и напряжённости состояния, при дефектоскопии. Механические характеристики конструкционных материалов также определяются с помощью акустических методов. Сейчас уже разрабатываются и серийно выпускаются многочисленные разнообразные электронные акустические приборы, которые позволяют регистрировать упругие волны, параметры их распространения как в синусоидальном, так и в импульсном режиме. На их основе определяются механические характеристики прочности материалов. Если используются упругие колебания малой интенсивности, этот метод становится абсолютно безопасным.

Недостатком акустического метода является необходимость акустического контакта, который далеко не всегда возможен. Поэтому работы эти не слишком производительны, если нужно срочно получить механические характеристики прочности материалов. Огромное влияние на результат оказывает состояние поверхности, геометрические формы и размеры исследуемого изделия, а также среда, где проводятся испытания. Чтобы преодолеть эти сложности, конкретную задачу нужно решать строго определённым акустическим методом или, напротив, использовать их сразу несколько, это зависит от конкретной ситуации. Например, стеклопластики хорошо поддаются такому исследованию, поскольку хорошая скорость распространения упругих волн, а потому широко используется сквозное прозвучивание, когда приёмник и излучатель располагаются на противоположных поверхностях образца.

Дефектоскопия

Методы дефектоскопии применяются для контроля за качеством материалов в различных областях промышленности. Бывают неразрушающие и разрушающие методы. К неразрушающим относятся следующие.

1. Для определения трещин на поверхностях и непроваров применяется магнитная дефектоскопия . Участки, которые имеют такие дефекты, характеризуются полями рассеивания. Обнаружить их можно специальными приборами или же просто наложить слой магнитного порошка на всю поверхность. На местах дефектов расположение порошка будет меняться уже при наложении.

2. Дефектоскопия проводится и с помощью ультразвука . Направленный луч будет по-разному отражаться (рассеиваться), если даже глубоко внутри образца имеются какие-нибудь несплошности.

3. Дефекты в материале хорошо показывает радиационный метод исследования , основанный на разнице в поглощении излучения средой различной плотности. Используется гамма-дефектоскопия и рентген.

4. Химическая дефектоскопия. Если поверхность протравить слабым раствором азотной, соляной кислоты или их смесью (царская водка), то в местах, где есть дефекты, проявляется сеточка в виде чёрных полосок. Можно применить метод, при котором снимаются серные отпечатки. В местах, где материал неоднороден, сера должна менять цвет.

Разрушающие методы

Разрушающие методы здесь уже частично разобраны. Образцы испытывают на изгиб, сжатие, растяжение, то есть применяются статические разрушающие методы. Если же изделие испытывают переменными циклическими нагрузками на ударный изгиб - определяются динамические свойства. Макроскопические методы рисуют общую картину строения материала и в больших объёмах. Для такого исследования нужны специально шлифованные образцы, которые подвергаются травлению. Так, можно выявить форму и расположение зёрен, например, в стали, наличие кристаллов с деформацией, волокона, раковины, пузыри, трещины и прочие неоднородности сплава.

Микроскопическими методами изучается микроструктура и выявляются мельчайшие пороки. Образцы таким же образом предварительно шлифуют, полируют и потом подвергают травлению. Дальнейшее испытание предполагает использование электрических и оптических микроскопов и рентгеноструктурного анализа. Основой этого метода служит интерференция лучей, которые рассеиваются атомами вещества. Контролируется характеристика материала с помощью анализа рентгенограммы. Механические характеристики материалов определяют их прочность, что является главным для построения конструкций надёжных и безопасных в эксплуатации. Поэтому материал проверяется тщательно и разными методами во всех состояниях, какие он способен принять, не потеряв высокий уровень механических характеристик.

Методы контроля

Для проведения неразрушающего контроля за характеристиками материалов большое значение имеет правильный выбор эффективных методов. Наиболее точны и интересны в этом плане методы дефектоскопии - контроль дефектов. Здесь необходимо знать и понимать различия между способами реализации методов дефектоскопии и методов определения физико-механических характеристик, поскольку они принципиально отличаются друг от друга. Если последние основываются на контроле физических параметров и последующей их корреляции с механическими характеристиками материала, то дефектоскопия зиждется на прямом преобразовании излучения, которое отражается от дефекта или проходит контролируемую среду.

Лучше всего, конечно, контроль комплексный. Комплексность заключается в определении оптимальных физических параметров, по которым можно выявить прочностные и прочие физико-механические характеристики образца. А также одновременно разрабатывается и затем осуществляется оптимальный комплекс средств контроля над дефектами структуры. И, наконец, появляется интегральная оценка данного материала: определяется его работоспособность по целому комплексу параметров, которые помогли определить неразрушающие методы.

Механические испытания

С помощью таких испытаний проверяются и оцениваются механические свойства материалов. Этот вид контроля появился очень давно, но до сих пор не потерял своей актуальности. Даже современные высокотехнологичные материалы потребители достаточно часто и ожесточённо критикуют. А это говорит о том, что экспертизы должны проводиться тщательнее. Как уже было сказано, механические испытания можно подразделить на два вида: статические и динамические. Первые проверяют изделие или образец на кручение, растяжение, сжатие, изгиб, а вторые - на твёрдость и на ударную вязкость. Современное оборудование помогает выполнять эти не слишком простые процедуры качественно и выявлять все эксплуатацонные свойства данного материала.

Испытанием на растяжение можно выявить сопротивляемость материала к воздействию приложенного постоянного или возрастающего растягивающего напряжения. Метод старый, испытанный и понятный, используемый очень давно и до сих пор широко. Образец растягивается вдоль по продольной оси посредством приспособления в испытательной машине. Скорость растяжения образца постоянная, нагрузка измеряется специальным датчиком. Одновременно контролируется удлинение, а также соответствие его прилагаемой нагрузке. Результаты таких испытаний чрезвычайно полезны, если нужно содавать новые конструкции, поскольку пока никто не знает, как они себя поведут под нагрузкой. Подсказать может только выявление всех параметров упругости материала. Максимальное напряжение - предел текучести выносит определение максимальной нагрузки, которую данный материал может выдержать. Это поможет вычислить запас прочности.

Испытание твёрдости

Жёсткость материала рассчитывается по Сочетание текучести и твёрдости помогает определить упругость материала. Если в технологическом процессе присутствуют такие операции, как протяжка, прокатка, прессование, то величину возможной пластической деформации знать просто необходимо. При высокой пластичности материал сможет принять любую форму при соответствующей нагрузке. Методом выявления запаса прочности может служить также и испытание на сжатие. Особенно если материал является хрупким.

Твёрдость испытывают с помощью идентора, который выполнен из гораздо более твёрдого материала. Чаще всего проводится по методу Бринеля (вдавливается шарик), Виккерса (идентер в форме пирамидки) или Роквелла (используется конус). В поверхность материала вдавливается идентор с определённой силой в определённый период времени, а потом изучается оставшийся на образце отпечаток. Есть и другие достаточно широко применяемые испытания: на ударную прочность, например, когда оценивается сопротивление материала в момент приложения нагрузки.

В шар земной упираясь ногами,
Солнца шар я держу на руках.
Я – как мост меж Землею и Солнцем,
И по мне Солнце сходит на Землю,
А Земля поднимается к Солнцу.
Так стою...Я, Человек.

Э. Межелайтиc

Человека изучают многие науки: философия, история, антропология, биохимия… и т.д. Но только рассматривая феномен человека целостно, мы сможем сформулировать ответ на вопрос: "Что же есть человек?"

Как устроен наш организм?
Как он работает?
Что полезно для здоровья?

Что опасно для жизни?
Попробуем порыться в литературе и разобраться!
Знаешь ли ты об интересных особенностях нашего организма?

Человеческая ДНК содержит около 80 000 генов.
В Древнем Риме люди жили в среднем не более 23 лет , а в 19 веке в США средняя продолжительность жизни не превышала 40 лет.
Мужчины считаются карликами при росте ниже 130 см, женщины - ниже 120 см.
Тело человека состоит из 639 мышц.
При улыбке у человека "работают" 17 мускулов.
В позвоночнике человека 33 или 34 позвонка.
При рождении в теле ребенка порядка 300 костей, во взрослом возрасте их остается всего 206.
Почти половина всех костей человека находятся в запястьях и ступнях.
Hогти на пальцах руки растут примерно в 4 раза быстрее, чем на ногах.
Кости человека на 50% состоят из воды.
Каждый палец человека за время жизни сгибается примерно 25 миллионов раз.
В состав человеческого организма входит всего 4 минерала: апатит, арагонит, кальцит и кристобалит.
Дети рождаются без коленных чашечек. Они появляются только в возрасте 2-6 лет.
Человеческий глаз способен различать 10 000 000 цветовых оттенков.
Явление, при котором от сильного света человек теряет способность видеть, называется "снежная слепота".
В среднем ты выделяешь 5 миллилитров слез - за год наберется большая бутылка.
Моргая 20 раз в минуту, ты тем самым увлажняешь глаза. В год это составляет более 10 миллионов мускульных сокращений.
Чихнуть с открытыми глазами невозможно.
Женщины моргают примерно в 2 раза чаще, чем мужчины.
Мужчины примерно в 10 раз чаще женщин страдают дальтонизмом.
Люди с голубыми глазами более чувствительны к боли, чем все остальные.
Человек мигает в среднем каждые 6 секунд , это значит, что в течение жизни мы опускаем и поднимаем веки около 250 миллионов раз.

В среднем волосы человека растут со скоростью 12 мм в месяц.
У блондинов борода растет быстрее , чем у брюнетов.
Человеческий волос толще мыльной пленки примерно в 5000 раз .
В спокойном состоянии ты вдыхаешь и выдыхаешь 16 раз в минуту, за это время через легкие проходит 8 литров воздуха. За год таким количеством воздуха можно было бы наполнить два воздушных шара.
Поверхность легких - порядка 100 квадратных метров.
Правое легкое человека вмещает в себя больше воздуха, чем левое.
Взрослый человек делает примерно 23 000 вдохов (и выдохов) в день.
Площадь поверхности человеческих легких примерно равна площади теннисного корта.
Самая сильная мышца в человеческом организме - язык.
В организме человека порядка 2000 вкусовых рецепторов.
Во рту человека около 40 000 бактерий. В среднем мозг человека весит около 1,3кг.
Человеческий мозг генерирует за день больше электрических импульсов, чем все телефоны мира вместе взятые.
С момента рождения в мозгу человека уже существует 14 миллиардов клеток, и число это до самой смерти не увеличивается. Hапротив, после 25 лет оно сокращается на 100 тысяч в день.
За минуту, потраченную вами на чтение страницы, умирает около 70 клеток.
После 40 лет деградация мозга резко ускоряется, а после 50 нейроны (нервные клетки) усыхают и сокращается объем мозга.
В головном мозге человека за одну секунду происходит 100 000 химических реакций.
Человек - единственный представитель животного мира, способный рисовать прямые линии.
Длина волос на голове, отращиваемых в среднем человеком в течение жизни - 725 километров.
Ударяясь головой об стену можно терять 150 калорий в час.
Мелкие кровяные сосуды-капилляры в 50 раз тоньше самого тонкого человеческого волоса.
Средний диаметр капилляра состав­ляет примерно 0,008мм.
В молодой коже содержится невероятное кол-во воды - 8 литров.
Ежедневно ты теряешь через кожу до 2 литров. Поскольку процесс отмирания кожных клеток занимает 120 дней, значит за год ты трижды меняешь кожу.
За время жизни кожа человека сменяется примерно 1000 раз.
Твое сердце в состоянии покоя бьется 80 раз в минуту, перекачивая 5 литров крови.
За год сердце производит 42 миллиона сокра­щений и перекачивает столько крови, что ею можно было бы наполнить несколько бассейнов.
36 800 000 - количество сердцебиений у человека за один год.
Размер сердца человека примерно равен величине его кулака.
Вес сердца взрослого человека составляет 220-260 г. Hервные импульсы в человеческом теле перемещаются со скоростью примерно 90 метров в секунду.
В теле взрослого человека около 75 километров (! ) нервов.
Желудочный сок человека содержит 0,4% соляной кислоты (HCl).
У человека примерно 2 миллиона потовых желез. Средний взрослый человек с каждым литром пота теряет 540 калорий.
Мужчины потеют примерно на 40% больше, чем женщины.
Тонкая кишка человека при жизни имеет длину порядка 2,5 метров.
После его смерти, когда мускулатура стенки кишки расслабляется, ее длина достигает 6 метров.
Общий вес бактерий, живущих в организме человека, составляет 2 килограмма.
Человек способен распознавать только пять запахов: цветочный, специфический (ли­мон, яблоко и т. д.), жженый (кофе и т. п.), гнилой (тухлые яйца, сыр и т. д.) и эфирный (бензин, алкоголь).
Человек, заблудившийся во время густого тумана или пурги, почти всегда ходит по кругу, что объясняется несимметричностью нашего тела, то есть отсутствием полного равновесия между правой и левой половинами тела человека.
Человек, оказывается, дрожит только для того, чтобы согреться.
Человек, который выкуривает пачку сигарет в день, выпивает пол-чашки смолы в год.

Как человек переносит различную высоту над уровнем моря?

Смертельная зона - более 8 км: человек может находиться на этой высоте без дыхательного аппарата лишь короткое время - 3 минуты, а на высоте 16 км - 9 секунд, после чего наступает смерть.
Критическая зона - от 6 до 8 км: серьезные функциональные расстройства жизнедеятельности организма.
Зона неполной компенсации -от4 до 5 км: ухудшение общего самочувствия.
Зона полной компенсации - от 2 до 4 км: некоторые нарушения в деятельности сердца, органов чувств и др. систем благодаря мобилизации резервных сил организма быстро исчезают.
Безопасная зона - от 1,5 до 2 км: не наблюдается существенных сбоев в работе организма человека.

Температуры, являющиеся критическими для человеческого организма
(при нормальном давлении и относительной влажности)

Нормальная температура для большинства людей - от 36,3 до 37С
Критическая температура, сопровождающаяся потерей сознания - выше 42С
Смертельная температура - выше 43С
Температура, приводящая к замедлению процессов мозга - ниже 34С
Критическая температура, соапровождающаяся потерей сознания - ниже 30С
Смертельная температура, возникает фибрилляция сердца, прекращается кровообращение - ниже 27С

Основные физические параметры крови.

Все параметры даны для температуры тела - 37С
Плотность - 1050 кг /куб.м
Вязкость - 0,004 Па.с
Вязкость плазмы крови - 0,0015 Па.с
Коэфф-т диффузии гемоглобина в воде - 0,00000000007 кв.м с
Поверхностное натяжение 0,058 Н/ м
Температура замерзания (плавления) - минус 0,56С
Удельная теплоемкость - 3000 Дж/ кг.К

Электрические характеристики тканей тела человека

Удельное сопротивление:
...мышцы - 1,5 Ом.м
...кровь - 1,8 Ом.м
...кожа - №№0000 Ом.м
...кость - 1000000 Ом.м

...кровь -85,5
...кожа - от 40 до 50
...кость -от 6 до 10

Теплоотдача организма человека

Потеря энергии от общего баланса:
...на дыхание и испарение воды - 13%
...на работу внутренних органов и систем - 1,87%
...на нагрев выдыхаемого воздуха - 1,55%
...на испарение воды с поверхности кожи - 20,7%
...на нагрев окружающего пространства - 30,2%
...на излучение - 43,8%

Механические параметры человека

Средняя плотность человека - 1036 кг куб.м
Средняя скорость движения крови:
...в артериях - от0,2 до 0,5 м с
...в венах - от 0,1 до 0,2 м с
Скорость распространения раздражения по нервам - от 400 до 1000 м с
Сила, развиваемая работающим сердцем:
...в начальной фазе сокращения - 90 Н
...в конечной фазе сокращения - 70Н
Работа сердца за сутки - 86400 Дж
Масса крови, выбрасываемая сердцем за сутки - 5200 кг
Мощность, развиваемая при быстрой ходьбе - 200 Вт

Электрические параметры человека

Удельное сопротивление тканей тела:
...верхнего слоя сухой кожи - 330000 Ом.м
...крови - 1,8 Ом.м
...мышцы - 1,5 Ом.м
Диэлектрическая проницаемость:
...сухой кожи - от 40 до 50
...крови - 85
Сопротивление человека от конца одной руки до конца другой (при сухой коже) - 15000 Ом
Смла тока через тело человека:
...безопасная - меньше 0,001 А
...опасная для жизни - больше 0,05 А
Безопасное электрическое напряжение:
...сухое помещение - меньше 12 В
...сырое помещение - меньше 36 В

Оптические параметры человека

Длительность сохранения глазом зрительного ощущения - 0,14 с
Диаметр глазного яблока взрослого человека - 25 мм
Показатель преломления хрусталика - 1,4
Оптическая сила:
...хрусталика - от 19 до 33 диоптрий
...всего глаза - 60 диоптрий
Диаметр зрачка:
...при дневном освещении - 2 мм
...при ночном освещении - от 6 до 8 мм
Внутриглазное давление - 104 кПа (780 мм рт. ст.)
Число палочек в сетчатке глаза - 130 млн
Число колбочек в сетчатке глаза - 7 млн
Минимальный размер изображения на сетчатке, при котором две точки предмета воспринимаются раздельно - 0,002 мм
Длина волны света к которой глаз ниболее чувствителен - 555 мм

Радиационные параметры человека

Допустимая доза излучения - до 0,25 Гр
Доза излучения, вызывающая лучевую болезнь - от1 до 6 Гр
Смертельная доза излучения - от 6 до 10 Гр

«Все тела, небесный свод, звезды, Земля и ее царства не идут в сравнение с самым низким из умов, ибо ум несет в себе знание обо всем этом, тела же не знают ничего.»

Механическая работа, которую способен совершить человек в течение дня, зависит от многих факторов, поэтому трудно указать какую-либо предельную величину. Это замечание относится и к мощности. Так, при кратковременных усилиях человек может развивать мощность порядка нескольких киловатт. Если спортс­мен массой 70 кг подпрыгивает с места так, что его центр масс поднимается на 1 м по отношению к нормальной стойке, а фа­за отталкивания длится 0,2 с, то он развивает мощность около

При ходьбе человек совершает работу, так как при этом энер­гия затрачивается на периодическое небольшое поднятие тела и на ускорение и замедление конечностей, главным образом ног.

Человек массой 75 кг при ходьбе со скоростью 5 км/ч разви­вает мощность около 60 Вт. С возрастанием скорости эта мощ­ность быстро увеличивается, достигая 200 Вт при скорости 7 км/ч. При езде на велосипеде положение центра масс человека изме­няется гораздо меньше, чем при ходьбе, а ускорение ног тоже меньше. Поэтому мощность, затрачиваемая при езде на велосипе­де, значительно меньше: 30 Вт при скорости 9 км/ч, 120 Вт при 18 км/ч.

Работа обращается в нуль, если перемещения нет. Поэтому, когда груз находится на опоре или подставке или подвешен на нити, сила тяжести не совершает работы. Однако каждому из нас знакома усталость мышц руки и плеча, если держать неподвижно на вытянутой руке гирю или ган­тель. Точно так же устают мышцы спины и поясничной области, если Сидящему человеку поместить на спину груз. В обоих случаях груз неподвижен и работы нет. Уста­лость же свидетельствует о том, что мышцы совершают работу. Та­кую работу называют статиче­ской работой мышц.

Статики (неподвижности) такой, как ее понимают в механике, на самом деле нет. Происходят очень мелкие и частые, незамет­ные глазу сокращения и расслабления, и при этом совершается работа против сил тяжести. Таким образом, статическая работа человека на самом деле является обычной динамической работой.

Для измерения работы человека применяют приборы, назы­ваемые эргометрами. Соответствующий раздел измерительной, техники называется эргометрией.

Примером эргометра служит тормозной велосипед (велоэргометр; рис. 4.1). Через обод вращающегося колеса перекинута стальная лента 2. Сила трения между лентой и ободом колеса из­меряется динамометром 3. Вся работа испытуемого затрачивается на преодоление силы трения (остальными видами работ пренебрегаем). Умножив длину окружности колеса на силу трения, най­дем работу, совершаемую при каждом обороте, а зная число оборотов и время испытания, определим полную работу и среднюю мощность.

Исследуя движения человека, измеряют:

1.количественные показатели механического состояния тела

2.двигательной функции тела

3.характер самих движений.

Регистрируют биомеханические характеристики тела: размеры, пропорции, распределение масс, подвижность в суставах и др., движений всего тела и его частей (звеньев).

Биомеханические характеристики - это меры механического состояния биосистемы и его изменения (поведения).

Количественные характеристики измеряются, или вычисляются; они имеют численное значение и выражают связи одной меры с другой (скорость - пример связи пройденного пути со временем, затраченным на него). Изучая количественные характеристики, дают определение (что это такое) и устанавливают способ измерения (чем измеряется).

Качественные характеристики описываются обычно словесно, без точной количественной меры (например, напряженно, свободно, плавно, рывком).

КИНЕМАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Кинематика движений человека определяет геометрию (пространственную форму) движений и их изменения во времени (характер) без учета масс и действующих сил. Она дает в целом только внешнюю картину движений. Причины же возникновения и изменения движений (их механизм) раскрывает уже динамика.

Кинематические характеристики тела человека и его движений - это меры положения и движения человека в пространстве и во времени: пространственные, временные и пространственно-временные.

Кинематические характеристики дают возможность сравнивать размеры тела и его звеньев, а также кинематические особенности движений у разных спортсменов. От учета этих характеристик во многом зависит индивидуализация техники спортсменов, поиск оптимальных именно для них особенностей движений.

Системы отсчета расстояния и времени

Движения человека и спортивных снарядов можно измерить только сравнивая их положения с положением выбранного для сравнения тела (тело отсчета), т. е. все движения рассматриваются как относительные.

Система отсчета (расстояния ) - условно выбранное твердое тело, по отношению к которому определяют положение других тел в разные моменты времени.

В мире не существует абсолютно неподвижных тел, все тела движутся. Но одни из них движутся так, что изменения их скорости (ускорения) несущественны для решения данной задачи и ими можно пренебречь, - это инерциальные системы отсчета. Такие тела - Земля и тела, связанные с нею неподвижно (дорожка, лыжня, гимнастический снаряд). В подобной системе покоящиеся тела не испытывают действия сил; значит, в ней ни одно движение не начинается без действия силы.

Другие тела движутся с ускорениями, которые существенно влияют на решение данной задачи, - это неинерциальные системы отсчета (скользящая лыжа, раскачивающиеся кольца) 1 . В таких случаях способы расчета и объяснения особенностей движений уже иные, что надо обязательно учитывать.

С телом отсчета связывают начало и направление измерения расстояния и устанавливают единицы отсчета. Для точного определения спортивного результата правила соревнований предусматривают, по какой точке (пункт отсчета) ведется отсчет (по уровню лыжных креплений, по выступающей точке грудной клетки спринтера, по заднему краю следа приземляющегося прыгуна и т. п.).

Движущееся тело рассматривают либо как материальную точку, положение которой определяют, либо на нем выделяют пункты отсчета (определенная точка на теле человека). В случае вращательного движения выбирают линию отсчета. Для описания (задания)

движения применяют естественный, векторный и координатный способы.

При естественном способе положение точки - дуговую координату л - отсчитывают от начала отсчета 0, выбранного на заранее известной траектории (рис. I , а). При векторном способе положения точки определяют радиус-вектором г (рис. 1, б), проведенным из центра 0 данной системы координат к интересующей точке (А).

Рис. 1.

Система отсчета расстояний:

а - естественная, 6 - векторная, в и г - прямоугольных координат: в - на плоскости, г - В пространстве

При способе прямоугольных координат (на плоскости и в пространстве) точку пересечения взаимно перпендикулярных координатных осей О (начало координат) принимают за начало отсчета (рис. 1, в, г). Чтобы определить положение некоторой точки А (пункт отсчета) относительно начала отсчета, находят ее проекции (А„ , А у , А 7 ) на оси координат. Расстояния от начала координат до проекций этих точек на осях координат (координаты в пространстве: ОА К - абсцисса, О/4 У - ордината и ОА 7 -аппликата) определяют положение точки А в данной системе отсчета 0 ху7 . Когда точка А перемещается в пространстве, то изменяются численные значения координат.

Устанавливают единицы измерения расстояния - линейные и угловые. В международной системе единиц (СИ) принята основная.

линейная единица - метр (м), кратная ей - километр (1 км= 1000 м), дольные - сантиметр (1 см = 0,01 м), миллиметр (1 мм = 0,001 м) и др 1 . Из угловых единиц применяются: а) градус, минута, секунда - при измерении углов (окружность = 360°, градус = 60" , минута = 60"); б) оборот - при приближенном подсчете поворотов вокруг оси (оборот = 360°, пол-оборота = 180° и т.д.); в) радиан (для расчетов по формулам) - угол между двумя радиусами круга, вырезающими на окружности дугу, равную по длине радиусу (радиан =57° 17 44",8"; 1° = 0,01745 рад.).

Системы отсчета времени

В систему отсчета времени входят определенное начало и единицы отсчета.

За начало отсчета времени принимают: а) полночь - во всех учреждениях, на транспорте, на предприятиях связи и т. п.; б) полночь и полдень - в обычных житейских условиях и в) судейское время («секундомеры на ноль») - в условиях соревнований. В биомеханике за начало отсчета времени обычно принимается либо момент начала всего движения или его части, либо момент начала наблюдения за движением. В течение одного наблюдения пользуются только одной системой отсчета времени.

За единицу отсчета времени принимают секунду (с; 60с=1 мин; 60 мин = 1 час), а также доли секунды - десятая, сотая, тысячная (миллисекунда). Направление течения времени в действительности - от прошлого к будущему. Исследуя движение, можно отсчитывать время и в обратном направлении - к прошлому (за 0,02 с до удара; 0,05 с до отрыва ноги от опоры и т. д.).

Пространственные характеристики

Пространственные характеристики позволяют определять положения, например исходное для движения и конечное (по координатам), и движения (по траекториям).

Движения человека можно изучать рассматривая его тело (в зависимости от поставленных задач) как материальную точку, как одно твердое тело или как систему тел.

Тело человека рассматривают как материальную т о ч -к у, когда перемещение тела намного больше, чем его размеры (если не исследуют движения частей тела и его вращение).

Тело человека приравнивают к твердому телу, когда можно не принимать во внимание взаимные перемещения его звеньев и деформации тканей, когда важно учитывать лишь его размеры, расположение в пространстве и ориентацию (в частности, при изучении условий равновесия, вращения тела в постоянной позе).

Тело человека изучают как систему тел, когда важны еще

и особенности движений звеньев тела, влияющие на выполнение двигательного действия.

Поэтому, определяя основные пространственные характеристики движений человека (координаты и траектории), заранее уточняют, к какому материальному объекту (точке, телу, системе тел) приравнивают в данном случае тело человека.

Координаты точки, тела и системы тел

Координаты точки - это пространственная мера местоположения точки относительно системы отсчета. Местоположение точки определяют измеряя, например, ее линейные координаты ух, л- у, г 2 ; формула размерности" : [л]= Ь.

По координатам определяют, где находится изучаемая точка (например, пункт отсчета на теле человека) относительно начала отсчета. Как известно, положение точки на линии определяет одна координата, на плоскости - две, в пространстве - три координаты. Положение твердого тела в пространстве можно определить по координатам трех его точек (не лежащих на одной прямой). Можно также определить местоположение одной из точек тела (по ее линейным координатам) и ориентацию тела относительно системы отсчета (по угловым координатам).

Положение системы тел (звеньев тела человека), которая может изменять свою конфигурацию (взаимное расположение звеньев), определяют по положению каждого звена в пространстве (рис. 2, а). Удобно использовать при этом угловые координаты (рис. 2,6), например суставные углы, и по ним, устанавливать позу тела как взаимное, расположение его звеньев. Практически нередко сочетают: 1) определение " местоположения какой-либо точки (например, общего центра масс тела или точки опо-)ы); 2) определение позы (взаимного расположения звеньев), 3) опре-;еление ориентации тела (по линии отсчета, проведенной в теле).

Изучая движение, нужно определить: 1) исходное положение, из оторого движение начинается 2 ; 2) конечное положение, в котором вижение заканчивается; 3) ряд мгновенных (непрерывно сменяющихся) ромежуточных положений, которые принимает тело при движении.

Кинокадры какого-либо упражнения показывают как раз такие положения. В механике описать движение (найти закон движения) - значит определить положение любой точки системы в любой момент времени. Иначе говоря, определить в любой момент времени координаты пунктов или линий отсчета, отмеченных на теле, по которым изучают его движение в пространстве.

Траектория точки

Траектория точки - это пространственная характеристика движения: геометрическое место положений движущейся точки в рассматриваемой системе отсчета. На траектории определяют ее длину, кривизну и ориентацию в пространстве, а также перемещение точки.

Траектория - это непрерывная линия, воображаемый след движущейся точки 1: она дает пространственный рисунок движения точки (рис. 3). Расстояние по траектории показывает, каков путь точки 2: = Ь-

В прямолинейном движении (направление его не изменяется) (рис. 4) путь точки при движении в одну сторону равен расстоянию от начального положения до конечного. В криволинейном движении (направление его изменяется) путь точки равен расстоянию по траектории в направлении движения от начального положения до конечного.

Кривизна траектории (к) показывает, какова форма движения точки в пространстве. Чтобы определить кривизну траектории, измеряют радиус кривизны (К). Кривизна - величина, обратная радиусу:

Если траектория является дугой окружности, то ее радиус кривизны постоянный. С увеличением кривизны ее радиус уменьшается, и наоборот, с уменьшением - увеличивается.

Ориентация траектории в пространстве при одной и той же ее форме может быть разная. Ориентацию для прямолинейной траектории определяют по координатам точек начального и конечного положений; для криволинейной траектории - по координатам этих двух точек и третьей точки, не лежащей с ними на одной прямой линии.

Перемещение точки показывает, в каком направлении и на какое расстояние сместилась точка. Перемещение (линейное) находят по разности координат точки в моменты начала и окончания движения (в одной итой же системе отсчета оасстояния):

Перемещение определяет размах и направление движения. В случае, когда в результате движения точка вернулась в исходное положение,

перемещение, естественно, равно нулю. Перемещение - это не само движение, а лишь его окончательный результат, расстояние по прямой и ее направление от начального до конечного положения.

Рассматривают элементарное перемещение (ей) точки - из данного положения в положение, бесконечно близкое к нему. Геометрическая сумма элементарных перемещений равна конечному перемещению из начального положения в конечное. На криволинейной траектории элементарное перемещение считают равным пути.

Перемещение тела при поступательном и вращательном движении измеряется различно. Перемещение тела линейное (в поступательном его движении) можно определить по линейному перемещению любой его точки. Ведь в поступательном движении прямая, соединяющая две любые точки тела, перемещаясь (прямолинейно либо криволинейно), остается параллельной своему начальному положению. Все точки тела движутся одинаково: по подобным траекториям, с одинаковыми скоростями и ускорениями. Достаточно из координаты конечного положения любой точки тела вычесть соответствующую координату ее начального положения, чтобы определить перемещение всего тела.

Перемещение тела угловое (во вращательном его движении) определяют по углу поворота. При вращательном движении тела в нем имеется линия, все точки которой остаются во время всего движения неподвижными (лежат на оси). Остальные же точки тела движутся по дугам окружностей, центры которых лежат на этой неподвижной линии - оси вращения (рис. 4, в). Рассматривают также элементарное угловое перемещение (с/ф) тела из данного углового положения в положение, бесконечно близкое к нему.

Любое движение тела в пространстве можно представить как геометрическую сумму его поступательного и вращательного (относительно любого полюса, в частности его центра масс) движений.

Перемещение системы тел (биомеханической системы), изменяющей свою конфигурацию, определить намного сложнее. В самых упрощенных случаях движение ее рассматривают как движение одной материальной точки - обычно общего центра масс (ОЦМ). Тогда можно проследить за перемещением всего тела человека «в целом», оценить в известной мере общий результат его двигательной деятельности. Но останется неизвестным, в результате каких именно движений достигнуто перемещение ОЦМ. Иногда перемещение тела человека представляют в виде перемещения условно связанной с ним линии (линия отсчета).

Изучение движений звеньев тела человека позволяет более подробно рассмотреть перемещение его тела. В некоторых случаях несколько подвижных частей (например, все кости стопы, кисти или предплечья, даже туловища) рассматриваются как одно звено - тогда уже можно в общих чертах уловить особенности движений, хотя взаимное движение многих звеньев не учитывается и их деформациями пренебрегают. Однако получить полную картину перемещений всех основных элементов тела (включая и внутренние органы, и жидкие ткани) при существующих методах исследования пока еще невозможно. В любом научном исследовании приходится прибегать к более или менее значительному упрощению.

В машинах, характеризующихся определенностью движений, имеется вполне определенный закон движений. В биомеханических системах, характеризующихся неопределенностью движений в сочленениях, стараются добиваться требуемой определенности, но возможности найти закон движения всех звеньев тела в целом очень невелики. Они несколько больше в видах спорта, где техническое мастерство проявляется (и в значительной мере) именно в точном воспроизведении заранее заданных, детально определенных движений (например, в гимнастике, фигурном катании на коньках).

Временные характеристики

Временные характеристики раскрывают движение во времени: когда оно началось и закончилось (момент времени), как долго длилось (длительность движения), как часто выполнялось движение (темп), как они были построены во времени (ритм). Вместе с пространственно-временными характеристиками они определяют характер движений человека.

Определяя, где была точка в пространстве, необходимо определить, когда она там была.

Момент времени

Момент времени - это временная мера положения точки тела и системы. Момент времени (г) определяют промежутком времени до него от начала отсчета..

Момент времени определяют не только для начала и окончания движения, но и для других важных мгновенных положений. В первую очередь это моменты существенного изменения движения: заканчивается одна часть (фаза) движения и начинается следующая (например, отрыв стопы от опоры в беге - это момент окончания фазы отталкивания и начала фазы полета). По моментам времени определяют длительность движения.

Длительность движения

Длительность движения - это его временная мера, которая измеряется разностью моментов времени окончания и начала движения:

Длительность движения представляет собой промежуток времени между двумя ограничивающими его моментами времени. Сами моменты (как границы между двумя смежными промежутками времени) длительности не имеют. Ясно, что, измеряя длительность, пользуются одной и той же системой отсчета времени. Узнав расстояние, пройденное точкой, и длительность ее движения, можно определить ее скорость. Зная длительность движений, определяют также их темп и ритм.

Темп движений

В повторных движениях одинаковой длительности темп характеризует их протекание во времени.

Темп движений " - это временная мера их повторности. Он измеряется количеством движений, повторяющихся в единицу времени (частота движений):

Темп - величина, обратная длительности движений. Чем больше длительность каждого движения, тем меньше темп, и наоборот. В повторяющихся (циклических) движениях темп может служить показателем совершенства техники. Например, частота движений у лыжников, пловцов, гребцов высокой квалификации (при более высокой скорости передвижения) больше, чем у менее подготовленных. Известно, что с утомлением темп движений изменяется: он может повышаться (например, при укорочении шагов в беге) или понижаться (например, при неспособности поддерживать его в лыжном ходе).

Ритм движений

Ритм движений (временной) - это временная мера соотношения частей движений. Он определяется по соотношению длительности частей движения:

Ритм движений характеризует, например, отношение времени опоры к времени полета в беге или времени амортизации (сгибания колена) к времени отталкивания (выпрямления ноги) при опоре. Примером соотношения длительности и частей движения может служить ритм скользящего шага на лыжах (соотношение длительности пяти фаз шага). С изменением темпа шагов изменяется и их ритм (рис. 5). Кроме временных можно определить еще пространственные показатели ритма (например, отношение длины выпада в шаге на лыжах к длине скольжения).

Чтобы определить ритм (временной), выделяют фазы, которые различаются по задаче движения, по его направлению, скорости, ускорению и другим характеристикам. Ритм отражает прилагаемые усилия, зависит от их величины, времени приложения и других особенностей движений. Поэтому по ритму движений можно в известной мере судить об их совершенстве. В ритме особенно важны акценты - большие усилия и ускорения - их размещение во времени. При овладении упражнениями иногда лучше сначала задать ритм, чем подробно описывать детали движений; это помогает быстрее понять особенности изучаемого упражнения, его построение во времени.

В каждом движении есть различающиеся части, например подготовительные и исполнительные (основные) движения, разгон и торможение. Значит, ритм можно определить в каждом упражнении. Так называемые «неритмичные» движения - это не вообще лишенные рит-

ма движения, а движения с отклонениями от заданного рационального ритма. Иначе говоря, неритмичные движения - это движения без определенного постоянного ритма или с неправильным, нерациональным ритмом.

Пространственно-временные характеристики

По пространственно-временным характеристикам определяют, как изменяются положения и движения человека во времени, как быстро человек изменяет свои положения (скорость) и движения (ускорение).

Скорость точки и тела

Скорость точки - это пространственно-временная мера движения точки (быстроты изменения ее положения). Скорость равна первой производной по времени от расстояния в рассматриваемой системе отсчета:

Скорость точки определяется по изменению ее координат во времени. Скорость - величина векторная, она характеризует быстроту движения и его направление. Так как скорость движений человека чаще всего не постоянная, а переменная (движение неравномерное и криволинейное), для разбора упражнений определяют мгновенные скорости.

Мгновенная скорость - это скорость в данный момент времени или в данной точке траектории, как бы скорость равномерного движения на очень малом участке траектории около данной точки траектории. Мгновенную скорость можно себе представить как такую, которую сохранило бы тело с того момента, когда все силы перестали на него действовать. Средняя же скорость - это такая скорость, с которой точка в равномерном движении за то же время прошла бы весь рассматриваемый путь. Средняя скорость позволяет сравнивать неравномерные движения.

Скорость точки (линейная) в прямолинейном движении направлена по траектории, в криволинейном - по касательной к траектории в каждой рассматриваемой ее точке.

Скорость тела определяют по скорости его точек. При поступательном движении тела линейные скорости всех его точек одинаковы по величине и направлению. При вращательном движении определяют угловую скорость тела как меру быстроты изменения его углового положения. Она равна по величине первой производной по времени от углового перемещения:

Чем больше расстояние от точки тела до оси вращения (т. е. чем больше радиус), тем больше линейная скорость точки. Скорость вращательного движения твердого тела (в радианах) равна отношению линейной скорости каждой точки к ее радиусу (при постоянной оси вращения). Угловая скорость (со) для всех точек тела, кроме лежащих на оси, одинакова:

Значит, линейная скорость любой точки вращающегося тела, не лежащей на оси, равна его угловой скорости, умноженной на радиус вращения этой точки (расстояние от нее до оси вращения). Скорости сложного движения твердого тела можно определить по линейной скорости любого полюса и угловой скорости вращения тела относительно этого полюса (например, вокруг оси, проходящей через центр масс - ЦМ).

Скорость системы тел, изменяющей свою конфигурацию, нельзя определить таким же образом, как угловую скорость твердого тела. В этом случае определяют линейную скорость ОЦМ системы. Часто определяют линейные скорости точек звеньев тела (проекций осей суставов на поверхность тела). Кроме того, при изменениях позы определяют угловые скорости звеньев тела относительно суставных осей; эти скорости обычно изменяются по ходу движедия. Для биомеханического обоснования техники нужно в каждом случае выбрать, какие скорости каких звеньев и точек следует определить.

1 Надо всегда указывать, скорость какого объекта определяется (например, скорость бегуна), а не «скорость движения».

Ускорение точки и тела

Ускорение точки - это пространственно-временная мера изменения движения точки (быстрота изменения движения - по величине и направлению скорости). Ускорение точки равно первой производной по времени от скорости этой точки в рассматриваемой системе отсчета:

Ускорение точки определяется по изменению ее скорости во времени. Ускорение - величина векторная, характеризующая быстроту изменения скорости по ее величине и направлению в данный момент (мгновенное ускорение) 1 .

Касательное ускорение будет положительным, когда скорость точки увеличивается, и отрицательным, когда она уменьшается. Если касательное ускорение равно нулю, то скорость по величине постоянная. Если нормальное ускорение равно нулю, то направление скорости постоянное.

Угловое ускорение тела определяется как мера быстроты изменения его угловой скорости. Оно равно первой производной по времени от угловой скорости тела:

Различают ускорение тела линейное (в поступательном.движении) и угловое (во вращательном движении). Отношение линейного ускорения каждой точки вращающегося тела к ее радиусу равно угловому ускорению (е) в радианах в секунду в квадрате. Значит, линейное ускорение любой точки вращающегося тела равно по величине его угловому ускорению, умноженному на радиус вращения этой точки:

Ускорение системытел* изменяющей свою конфигурацию, определяется еще сложнее, чем скорость. Ускорение служит хорошим показателем качества приложенных усилий (рис. 6).

" Среднее ускорение за время движения, особенно в тех случаях, когда оно меняет знак, обычно не определяют, поскольку оно не характеризует достаточно подробности (детали) движения.

ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Все движения человека и движимых им тел под действием сил изменяются по величине и направлению скорости. Чтобы раскрыть механизм движений (причины их возникновения и ход их изменений), исследуют динамические характеристики. К ним относятся инерционные характеристики (особенности тела человека и движимых им тел), силовые (особенности взаимодействия звеньев тела и других тел) и энергетические (состояния и изменения работоспособности биомеханических систем).

Инерционные характеристики

Свойство инертности тел раскрывается в первом законе Ньютона: «Всякое тело сохраняет свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения до тех пор, пока внешние приложенные силы не изменят это состояние». Иначе говоря, всякое тело сохраняет скорость, пока ее не изменят силы.

Понятие об инертности

Любые тела сохраняют скорость неизменной при отсутствии внешних воздействий одинаково. Это свойство, не имеющее меры, и предлагается называть инерцией 1 . Разные тела изменяют скорость под действием сил по-разному. Это их свойство, следовательно, имеет меру: его называют инертностью. Именно инертность и представляет интерес, когда надо оценить, как изменяется скорость.

Инертность - свойство физических тел, проявляющееся в постепенном изменении скорости с течением времени под действием сил.

Сохранение скорости неизменной (движение как бы по инерции) в реальных условиях возможно только тогда, когда все внешние силы, приложенные к телу, взаимно уравновешены. В остальных случаях неуравновешенные внешние силы изменяют скорость тела в соответствии с мерой его инертности.

Масса тела

Масса тела - это мера инертности тела при поступательном движении. Она измеряется отношением величины приложенной силы к вызываемому ею ускорении.:

Измерение массы тела здесь основано на втором законе Ньютона: «Изменение движения прямо пропорционально извне действующей силе и происходит по тому направлению, по которому эта сила приложена».

Масса тела зависит от количества вещества тела и характеризует его свойство - как именно приложенная сила может изменить его движение. Одна и та же сила вызовет большее ускорение у тела с меньшей массой, чем у тела с большей массой 1 .

При исследовании движений часто бывает необходимо учитывать не только величину массы, но и, как говорится, ее распределение в теле 2 . На распределение материальных точек в теле указывает местоположение центра масс тела.

В абсолютно твердом теле имеются три точки, положения которых совпадают: центр масс, центр инерции и центр тяжести. Однако это совершенно различные понятия. В ЦМ пересекаются направления сил, любая из которых вызывает поступательное движение тела. Материальные точки, имеющие массы, расположены равномерно относительно линии действия таких сил, и поэтому вращательного движения не возникает. Следует учитывать, что если материальные точки тела, обладающие массами, отдалять от этой линии в противоположные стороны на равные расстояния, то положение центра масс от этого не изменится. Следовательно, понятие «центр масс» не полностью отражает распределение материальных точек в теле. Понятия о центре инерции (как точке приложения равнодействующей всех фиктивных сил инерции) и центре тяжести (как точке приложения равнодействующей всех сил тяжести) будут рассмотрены позже.

Момент инерции тела

Момент инерции тела - это мера инертности тела при вращательном движении. Момент инерции тела относительно оси равен сумме произведений масс всех материальных точек тела на квадраты их расстояний.

В деформирующейся системе тел, когда ее части отдаляются от оси вращения, момент инерции системы увеличивается. Инерционное сопротивление увеличивается с отдалением частей тела от оси вращения пропорционально квадрату расстояния. Поскольку материальные точки в теле расположены на разных расстояниях от оси вращения, для ряда задач удобно вводить понятие «радиус инерции».

Радиус инерции тела - это сравнительная мера инертности данного тела относительно его разных осей. Он измеряется корнем квадратным из отношения момента инерции (относительно данной оси) к массе тела:

" Масса, измеренная таким образом, называется инертной, измеренная путем взвешивания - тяжелой. Они количественно равны одна другой и отличаются только способами их определения.

2 Так как масса тела не само вещество, а его свойство, то, строго говоря, она не перемещается и не распределяется; перемещаются тела, обладающие массой; распределяются частицы (материальные точки) тела, обладающие массой.

Найдя опытным путем момент инерции тела, можно рассчитать радиус инерции, величина которого характеризует распределение материальных точек в теле относительно данной оси. Если мысленно расположить все материальные точки тела на одинаковых расстояниях от оси, получится полый цилиндр. Радиус такого цилиндра, момент инерции которого равен моменту инерции изучаемого тела, равен радиусу инерции. Он позволяет сравнивать различные распределения масс тела относительно разных осей вращения. Это удобно, когда рассматривают инертность одного тела относительно разных осей.

Знать о моменте инерции очень важно для понимания движения, хотя точное количественное определение этой величины в конкретных случаях нередко затруднено.

Силовые характеристики

Известно, что движение тела может происходить как под действием приложенной к нему движущей силы, так и без движущей силы (по инерции), когда приложена только тормозящая сила. Движущие силы приложены не всегда; без тормозящих же сил движения не бывает.

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 4 им. В.В.Бианки»

города Бийска Алтайского края

Программа

элективного курса по физике

«Физика. Человек. Здоровье»

для учащихся 9-х классов

учитель физики МБОУ «СОШ № 4 им. В.В.Бианки»

г. Бийска Алтайского края

Бийск

2012-2013

Пояснительная записка

к программе элективного курса по физике

«Физика. Человек. Здоровье»

Элективный курс «Физика. Человек. Здоровье»

предусматривает углубление и расширение тем базовой программы по физике и предназначен для учащихся 9-х классов, выбирающих дальнейший естественнонаучный профиль обучения и строящих дальнейшую собственную образовательную траекторию в области политехнических наук.

Элективный курс является частью учебного плана МБОУ «Средней общеобразовательной школы № 4 имени В.В. Бианки» и отражает методику реализации программ учебных курсов и дисциплин с учетом:

требований федеральных компонентов государственных образовательных стандартов;

обязательного минимума содержания образовательных программ;

максимального объема учебного материала для учащихся;

требований к уровню подготовки выпускников;

объема часов учебной нагрузки, определенного учебным планом школы.

Курс рассчитан на 35 часов (1 урок в неделю).

Актуальность и новизна

В курсе физики, изучаемой в современной школе, практически не уделяется внимания на физические параметры, характеризующие человека. Однако, в связи с моделированием процессов, происходящих в живых организмах, в технике, развитием такой современной науки как бионика, у учащихся все чаще проявляется повышенный интерес к изучению физики человека.

С другой стороны, даже в обычной городской поликлинике каждый человек сталкивается с большим числом физических методов исследования своего организма. Например, измеряется кровяное давление, регистрируются биопотенциалы сердца, проводятся физиотерапевтические лечения заболеваний с применением различной аппаратуры, вырабатывающей широкий спектр электромагнитных излучений.

Во многих семьях появились медицинские приборы, позволяющие самостоятельно проводить небольшие диагностические исследования собственного организма (определение давления, сахара в крови человека и др.).

Программа данного элективного курса позволит учащимся значительно расширить свои знания в области физики человека за счет изучения отдельных процессов, происходящих в живых организмах на основе физических законов. Поможет установить причинно-следственные связи, существующие в живой и неживой природе, сформирует интерес не только к физике, но и к другим наукам, в частности, биологии.

Элективный курс так же ориентирует учащихся на создание здоровьеохранного пространства ученика, которое является выражением гармонического взаимодействия всех его органов и систем, динамического уравновешивания с окружающей средой и проявляется в состоянии комфортного самочувствия. Позволит раскрыть некоторые методы здоровьесберегающих процессов, способных поддерживать организм и ответственно относиться к собственному здоровью, использовать личностные ресурсы.

Программа составлена таким образом, что в ходе изучения данного курса учащиеся не только удовлетворят свои образовательные потребности, но и получат навыки исследовательской деятельности, познакомятся с краткими данными о медицинской и биологической аппаратуре, расширят компетенции в вопросах профессионального самоопределения, сформируют учебную мотивацию для более осмысленного изучения физики в дальнейшем.

Это позволит расширить каждому ученику базовые компетентности современного человека: информационную (умение искать, анализировать, преобразовывать, применять информацию для решения проблем); коммуникативную (умение сотрудничать с другими людьми); самоорганизацию (умение ставить цели, планировать, ответственно относиться к здоровью); самообразование (готовность конструировать и осуществлять собственную образовательную траекторию на протяжении всей жизни).

При изучении данного элективного курса появляется возможность реализации современной тенденции образования, заключающейся в том, что усвоение предметного содержания из цели образования превращается в средство такого эмоционального, социального и интеллектуального развития школьника, которое обеспечивает переход от обучения к самообразованию.

Система и форма занятий подобраны таким образом, что окажет помощь в решении стоящей на современном этапе перед учителем проблемы: научить ребенка таким технологиям познавательной деятельности, умению осваивать новые знания в любых формах и видах, чтобы он мог быстро, а главное качественно обрабатывать получаемую им информацию. Затем применять ее на практике при решении различных видов задач (и заданий), почувствовать личную ответственность и причастность к процессу учения, готовить себя к дальнейшей практической работе и продолжению образования.

Элективный курс так же ориентирует на обеспечении права выбора каждым учеником профессионального самоопределения и своего дальнейшего образовательного и профессионального пути.

При проведении занятий темы курса можно комбинировать с темами биологии и анатомии человека, но главной предметной областью является физика.

Цели и задачи элективного курса. Ожидаемые результаты.

Основные цели курса:

Создание ориентационной и мотивационной основы для осознанного выбора естественнонаучного профиля, чтобы ученик утвердился в сделанном им выборе дальнейшего обучения или отказался от него;

Ознакомление с основными методами применения физических законов в медицине, развитие познавательного интереса к современной медицинской технике;

Показать учащимся единство законов природы, применимость законов физики к живому организму, перспективное развитие науки и техники, а так же показать, в каких сферах профессиональной деятельности им пригодятся полученные знания;

Развивать познавательную активность и самостоятельность, стремление к саморазвитию и самосовершенствованию;

Рассмотреть индивидуальные траектории валеологических аспектов сохранения собственного здоровья, как одного из условий повышения качества образования.

Данный элективный курс решает следующие задачи:

углубление знаний о материальном мире и методах научного познания природы, неотъемлемой частью которой является сам человек;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей учащихся в процессе практического применения знаний, умений и навыков по физике, самостоятельного приобретения знаний с использованием различных источников информации;

через развитие интереса к предмету повлиять на выбор учениками сферы профессиональной деятельности, способствовать формированию внутренней мотивации к реализации выбора в дальнейшем обучении;

создание условий для формирования и развития у обучающихся творческих способностей, умения работать в группе, вести дискуссию, отстаивать свою точку зрения, интереса к изучению физики и проведению физического эксперимента.

Ожидаемыми результатами данного элективного курса являются:

получение представления о широком спектре физических явлений и законов, благодаря которым нормально функционирует здоровый организм человека;

воспитание культуры сохранения собственного здоровья, пропаганда здорового образа жизни;

знакомство с некоторыми медицинскими приборами, которые используются для диагностики и лечения различных заболеваний;

развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей, коммуникативных качеств;

сознательное самоопределение ученика относительно профиля дальнейшего обучения.

По окончании изучения курса учащиеся должны знать:

Физические законы, которые можно использовать при объяснении процессов, происходящих внутри организма человека;

Особенности своего организма с точки зрения законов физики;

Медицинские аппараты, необходимые человеку для определения самочувствия и оказания самостоятельной помощи собственному организму.

По окончании изучения курса учащиеся должны уметь:

Работать с различными приборами, источниками, самостоятельно искать и приобретать новые знания, анализировать и оценивать новую информацию;

Моделировать явления, отбирать нужные приборы, выполнять и их помощью измерения, работать в соответствии с инструкцией;

Представлять информацию в виде таблиц, графиков, небольших проектов;

Обсуждать результаты деятельности, делать выводы, участвовать в дискуссии;

Ответственно относиться к собственному здоровью и научиться навыкам его укрепления и сохранения.

Учебно-тематическое планирование.

Курс построен с опорой на знания, умения и навыки по физике, полученные учащимися в основной школе, практический опыт с элементами опережающего обучения. Но содержание курса качественно отличается от базового курса физики. На уроках законы физики рассматриваются в основном на неживых объектах. Однако очень важно, чтобы у учащихся постепенно складывались убеждения в том, что, причинно-следственная связь явлений имеет всеобщий характер и что, все явления, происходящие в окружающем нас мире, а так же внутри организма человека, взаимосвязаны.

Тема

Кол-во

часов

Лекции

Практика

Семинары

Введение

Антропометрия и физика.

Определение параметров тела человека

3-4.

Зрение. Глаз как оптическая система.

Недостатки зрения и их устранение.

6-7.

Рычаги в организме человека.

Простые механизмы в ортопедии.

Равновесие человека.

Давление крови и аппараты для его измерения.

Течение крови и лимфы по сосудам.

Физические основы в кардиологии

13-14

Звуковые волны и слух человека.

Физические основы речи и слуха человека.

Терморегуляция живого организма

Роль влажности и ее регулирование в промышленных и домашних условиях

Работа и мощность человека. Эргометрия

Энергетическая ценность (калорийность) продуктов.

20-21.

Рентгеновские лучи и их применение в медицине.

22-23.

Электрические и магнитные явления и здоровье.

Влияние магнитов на жизнь человека.

Применение магнитов для здоровья человека.

Экскурсия в физиотерапевтический кабинет поликлиники.

27-30.

Здоровый образ жизни.

Электромагнитное поле и здоровье человека.

Сотовая связь и здоровье человека

Персональный компьютер и здоровье человека

Бытовые электроприборы и здоровье человека.

Метод радиоактивных изотопов в диагностике заболеваний

Компьютерный томограф – современное достижение физиков и медиков.

33-34.

Итоговая конференция.

Подведение итогов.

Итого

Программа курса

Введение

Обзорная лекция, иллюстрирующая всю широту спектра физических явлений, о которых можно говорить в связи со здоровьем человека или функционированием организма человека: оптические, механические, тепловые, электрические, магнитные и другие явления.

Оптические параметры человека

Прямолинейное распространение света. Законы отражения и преломления. Линзы. Построение изображения в линзах. Глаз человека как сложная оптическая система. Глаза различных представителей животного мира. Основные дефекты зрения: близорукость, дальнозоркость, астигматизм, дальтонизм. Очки. Как сохранить хорошее зрение: условия освещенности, оптимальное расстояние и угол зрения, правильный режим труда и отдыха.

Демонстрации: оптическая скамья, линзы, зеркала, преломляющая призма.

Практические работы: определение фокусного расстояния и оптической силы линз в различных очках; определение остроты зрения, наблюдение различных типов изображений в линзах.

: оптические параметры человека.

Механические параметры человека

Плотности жидкостей и твердых тканей, из которых состоит человек. Простые механизмы в живых организмах и их назначение. «Золотое правило» механики. Опорно-двигательная система человека и законы механики. Зачем человеку суставы? Строение костей с точки зрения возможности наибольшей деформации. Работа и мощность, развиваемая человеком в различных видах деятельности.

Демонстрации: блоки, ворот, клин, винт, рычаг, наклонная плоскость и другие.

Практические работы: определение мускульной силы кисти руки человека с помощью силомера; вычисление выигрыша в силе в системе «предплечье – плечо»; определение средней плотности кости.

Самостоятельный поиск информации : механические параметры человека

Давление и аппараты для его измерения

Роль атмосферного давления в жизни живых организмов. Как создается давление внутри человека. Атмосферное давление и самочувствие человека. Высокое и низкое давление.

Практическая работа: изучение устройства, принципа действия и правил пользования медицинским тонометром по его инструкции, измерение артериального давления с помощью тонометра и фонендоскопа.

Виртуальная экскурсия: Полет на воздушном шаре.

Самостоятельный поиск информации : как человек переносит различную высоту над уровнем моря?

Терморегуляция живого организма. Течение крови по сосудам.

Процессы диффузии в живой природе. Капиллярные явления. Смачиваемость. Все о коже – лучшем «кровельном материале». Законы движение жидкости по трубам переменного сечения. Уравнение Бернулли. Сложная система кровеносных и лимфатических сосудов в организме человека.

Демонстрации: оптическая скамья, макет трубы переменного сечения.

Практическая работа: определение анализа крови. Проведение практической работы планируется с приглашением медицинского работника, проводящего забор и анализ крови. Измерение кожной температуры полупроводниковым термометром.

Красные кровяные шарики крови человека представляют собой диски диаметром приблизительно 7*10 -6 м и толщиной 10 -6 м. В каждом кубическом миллиметре крови содержится около 5*10 6 таких дисков.

а) если в теле взрослого человека 5 л крови, то, сколько содержится в ней красных кровяных шариков?

б) масса молекулы гемоглобина составляет около 6,8*10 4 а.е.м. Сколько молекул гемоглобина должно содержаться в одном красном кровяном шарике, если плотность гемоглобина 1 кг/м 3 и если мы будем считать, что кровяные шарики состоят полностью из гемоглобина?

2. Как объяснить водонепроницаемость соломенной кровли, сена в стогах?

3. Кровь более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови. В течение минуты сердце выбрасывает в аорту около 4 л крови. Скорость движения крови в аорте 0,5 м/с, а по капиллярам – 0,5 мм/с. Во сколько раз сила сопротивления при движении крови по аорте больше силы сопротивления крови, движущейся по капиллярам, если коэффициент сопротивления движению крови считать одинаковым для обоих случаев?

4. Продолжить поиск информации о параметрах человеческого организма и заполнение личного физического паспорта.

Звуковые волны и слух человека

Колебания в живой природе. Звук и его характеристики. Свойства звука. Голосовой аппарат человека. Голоса в животном мире. Слуховой аппарат человека. Инфразвуки и ультразвуки. Биоакустика рыб. Влияние звуков различных частот на здоровье человека.

Демонстрации: метрономы, резонаторные ящики, струнные музыкальные инструменты, диапазон механических волн. Воспроизведение записи работы сердца, графическая регистрация звуков сердца (фонокардиография).

Практическая работа: определение предельной чувствительности слухового аппарата человека, определение пульса человека до физической нагрузки и после увеличения нагрузки при помощи фонендоскопа. По возможности организовать посещение медицинского кабинета для проведения фонокардиографии.

1. Задачи типа: барабанная перепонка человека имеет площадь примерно 0,65 см 2 . При громкости звука 20 дБ амплитуда звукового давления равна 20 мН/м 2 – это звуковой фон в очень тихой комнате. Болевой порог для уха наступает при громкости 140 дБ и амплитуде звукового давления 200 Н/м 2 , а механические повреждения барабанной перепонки – при громкости 160 дБ и амплитуде звукового давления 2 кН/м 2 . С какой силой действует в этих случаях звук на барабанную перепонку?

2. Знакомство с частотным диапазоном голосов певцов:

Частотный диапазон, Гц

Мужские: бас

80 - 350

баритон

100 - 400

тенор

130 -500

Женские: контральто

170 - 780

меццо - сопрано

200 - 900

сопрано

250 - 1000

колоратурное сопрано

13000

Домашнее творческое задание: «золотые» голоса России, каков их частотный диапазон?

Электромагнитные излучения и их применение в медицине

Ультрафиолетовое, инфракрасное и рентгеновское излучения. В. Рентген, биографические данные. Открытие Х-лучей. Свойства рентгеновского излучения. Применение в медицине для диагностики и лечения. Почему необходимо регулярно делать флюорографию?

Демонстрации: рентгеновские снимки.

Домашнее задание: по возможности найти различные приборы электрического и магнитного принципа работы («Витафон», «МАГ» и другие) с инструкциями, принести их в школу.

Электрические и магнитные явления и здоровье человека

Электрические свойства тканей организма. Человек в мире электромагнитных полей и импульсов. Биотоки, импульсы мозга. Почему можно оживить с помощью электрического разряда? Применение высокочастотных колебаний с лечебной целью.

Практическое занятие: определение сопротивления кожи человека; изучение устройства, принципа действия и правил пользования приборами из серии «Домашний доктор» по их инструкциям.

Ткань

Удельная электропроводность,

Ом -1 *м -1

Спинномозговая жидкость

Сыворотка крови

Кровь

Мышца

Внутренние органы

(2-3)*10 -1

Мозговая и нервная ткани

0,07

Жировая ткань

0,03

Кожа сухая

10 -9

Экскурсия в физиотерапевтический кабинет поликлиники

Ознакомление с различными видами физиотерапевтической аппаратуры, их назначением, принципами действия, видами заболеваний, при лечении которых они применяются и другое. Техника безопасности при работе с оборудованием.

Домашнее задание: оформление изученной на курсах информации в виде сообщения, плаката, презентации или в любой другой наглядной форме.

Пример информации:

Ученые Объединенного института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН исследовали влияние физических полей различной природы (в основном электромагнитных) на поведенческие реакции живых организмов, в том числе людей. Часто неврастения сопровождается головными болями (мигренями) и потерей сна.Как же снять головные боли?

Ответ.Этого можно достигнуть путем воздействия на мозг импульсами электрического тока через электроды, прикладываемые к коже. Метод позволяет сократить, а иногда и полностью исключить применение химических обезболивающих препаратов, избавить больного от их побочных действий. Например, в аппарате «Скат» импульсы переменного тока попеременно подаются с трех пар электродов, укрепленных на голове больного. Благодаря этому под воздействием оказываются практически все структуры мозга, ответственные за блокаду болевого раздражения. Частота импульсов меняется в интервале 400 – 1500 Гц, а амплитуда силы тока достигает 300 мА.

Человек примерно треть жизни проводит во сне. Полное лишение сна люди переносят гораздо тяжелее, чем голодание, и скоро погибают. В процессе сна клетки мозга восстанавливают свою работоспособность, активно усваивают питательные вещества, накапливают энергию. Сон восстанавливает умственную деятельность, создает чувство свежести, бодрости, вызывает прилив энергии. Поэтому для лечения заболеваний центральной нервной системы используют электросон. Он используется при снижении работоспособности, повышенной утомляемости, головных болях и бессоннице.

Здоровый образ жизни

Здоровое питание. Правильный режим сна и бодрствования. Разумные физические нагрузки. Занятия спортом. Почему полезна баня? Правила личной гигиены. Можно ли бороться с вредными привычками? Какие привычки считать вредными?

Практическая работа: определение параметров здорового человека (пульс, частота дыхания, давление, вес), определение выносливости и тренированности организма после физической нагрузки (10 приседаний), оформление личного физического паспорта.

Домашнее задание: вспомнить самое интересное на ваш взгляд занятие курса, подготовить небольшое (2-3 минутное) сообщение по данной теме; ответить на вопрос – что нового по физике я узнал во время работы данного элективного курса по физике? Нужно ли знать данный предмет хорошему врачу или медсестре? Изменилось ли ваше решение в выборе дальнейшего образовательного пути? Что посоветуете изменить или добавить в программу элективного курса?

Итоговая конференция

Выступления – размышления учащихся по итогам элективного курса. Просмотр индивидуальных проектов, приготовленных учащимися.

Подведение итогов заполнения личного физического паспорта, обсуждение вопросов, касающихся культуры сохранения собственного здоровья.

Список литературы

Алексеева М.Н. Физика - юным. - М.: Просвещение, 1980.

Агаджанян Н.А. Ритм жизни и здоровье. - М.: Знание, 1975.

Бутырский Г.А. Экспериментальные задачи по физике 10-11 класс. - М.: Просвещение, 2000.

Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики. - М.: Просвещение, 1987.

Мякишев Г.Я, Буховцев Б.Б. Учебник физики. 10 класс. - М.: Просвещение, 2001.

Перельман Я И. Занимательная физика.- Д.: «ВАП», 1994.

Перышкин А.В. Учебник физики. 7 класс. - М.: Дрофа, 2001.

Перышкин А.В. Учебник физики. 8 класс. - М.: Дрофа, 2001.

Перышкин А.В., Гутник Е.М. Учебник физики. 9класс. - М.: Дрофа, 2001.